復摻玄武巖纖維和硅灰對白色硅酸鹽水泥混凝土力學性能研究

李濤，呂獎國，阿布都熱依木江·庫爾班

（1.安徽省交通控股集團有限公司，安徽 合肥 230031；2.合肥工業大學土木與水利工程學院，安徽 合肥 230009）

1 引言

混凝土開裂可以說是常見病和多發病，有關混凝土結構出現裂縫而影響工程質量的問題較為突出。纖維混凝土以其優良的抗裂性能，彌補了普通混凝土易開裂、抗拉強度低的缺點，成為當今工程界推崇的復合材料。工程所用纖維混凝土種類繁多如碳纖維、鋼纖維、聚丙烯纖維、玻璃纖維、尼龍纖維等，各國對這些纖維混凝土的力學性能作了相關研究。而玄武巖纖維(Basalt Fiber)作為一種新型無機纖維材料，因其具有良好的力學性能、化學穩定性和熱穩定性，并且兼具高性價比等優點，已成為國內外諸多學者關注的焦點，并對玄武巖纖維混凝土的力學性能作了相關研究。目前的研究成果主要側重于玄武巖纖維摻量對混凝土基本力學性能等方面影響，而關于其對復摻玄武巖纖維長度、摻量和硅灰摻量對混凝土力學性能的研究成果研究比較少。同時建筑結構和橋梁作為景觀標志建筑，傳統灰色混凝土結構美觀性不足，影響結構與自然、社會環境相協調，增加美化成本。

針對索支撐橋梁超高混凝土塔柱表面容易產生裂縫和需要二次防護和裝飾等問題，本文基于C50普通混凝土，以白色硅酸鹽水泥作為基礎膠凝材料，礦粉和粉煤灰作為輔助膠凝材料，以“提高混凝土抗拉強度”為原則，玄武巖纖維和硅灰超細粉體作為混凝土力學性能改性材料，研究不同長度和體積摻量玄武巖纖維以及不同摻量硅灰對混凝土的工作性能和力學強度的影響。

2 實驗設計與方法

2.1 材料設計

混凝土原材料使用阿爾博牌P·W 52.5白水泥，馬鞍山萬能達發電公司生產的1級粉煤灰，馬鞍山中天新材料有限公司生產的S95級礦粉和上海天凱建材有限公司的900D型硅灰作為膠凝材料。細集料選用了石英砂，粗集料來自彭澤宏浩麻山礦業有限公司，直徑為5mm～25 mm連續級配。玄武巖纖維作為增強材料，聚羧酸高性能減水劑用于改善新拌漿體工作性，固含量為40%。

2.2 實驗配合比設計

為了得到最佳的工作性能和力學性能，本文基于C50普通混凝土，以白色硅酸鹽水泥作為基礎膠凝材料，礦粉和粉煤灰作為輔助膠凝材料，研究了不同長度和體積摻量玄武巖纖維，不同摻量硅灰對混凝土的工作性能和力學強度的影響，所用配合比如下表所示。

復摻玄武巖纖維和硅灰混凝土配合比

2.3 實驗方法

混凝土的流動度測試參照標準《公路工程水泥及水泥混凝土試驗規程》（JTG E30-2005），通過坍落度筒測定新拌混凝土的坍落度和擴展度。混凝土的抗壓強度和劈裂抗拉強度測試參照標準《公路工程水泥及水泥混凝土試驗規程》（JTG E30-2005），試件尺寸150mm×150mm×150mm。試件澆筑24 h后拆模，并在標準條件下養護至測試齡期。每組配合比選取3個試件進行測試，并取平均值作為最終強度值。

3 實驗結果與分析

3.1 纖維尺寸和摻量對混凝土的影響

混凝土的流動度測試參照標準《公路工程水泥及水泥混凝土試驗規程》（JTG E30-2005），通過坍落度筒測定新拌混凝土的坍落度和擴展度，如圖1所示。

圖1 混凝土工作性能檢測

實驗結果表明：混凝土坍落度為210mm～230mm、擴展度為 630mm～560mm，具有較好的工作性和可泵送性，滿足橋梁塔柱超高度的泵送要求。不同玄武巖纖維長度和纖維摻量條件下，新拌混凝土坍落度和擴展度的變化如圖2所示。施工中為了滿足超過200 m高度的泵送要求，根據《混凝土泵送技術規程》（JGJ/T 10-2011），新拌混凝土工作性要滿足坍落度=210 mm±10 mm，擴展度≥400 mm。根據實驗結果可以看出，玄武巖纖維的長度和摻量對坍落度和擴展度的影響較小，所有樣品都可保持坍落度=220 mm±10 mm，擴展度=600 mm±40 mm，具有較好的工作性和可泵送性。

圖2 不同玄武巖纖維長度和摻量對應的新拌混凝土坍落度和擴展度

纖維對混凝土的強度具有較顯著的影響，通過對樣品的抗壓和抗拉試驗測試，得到纖維長度和摻量對混凝土抗壓和劈裂抗拉強度的影響結果分別如圖3和圖4所示。就不同纖維長度和摻量對混凝土抗壓強度的影響如圖3所示，使用纖維增強以后，混凝土7 d的抗壓強度即能達到50 MPa以上。隨著纖維摻量從 0.8 kg/m增加到 2.0 kg/m，抗壓強度呈現先增加，后小幅下降的趨勢，并且隨著纖維長度的增加，強度下降的幅度增加。由于纖維對裂縫的產生和擴展具有很好的控制作用，纖維摻量的增加，更好地阻礙了微裂縫形成貫穿主裂縫，因此強度有所提升。但過量、過長的纖維，使其在漿體拌和過程中易形成團聚，從而引入較多的初始缺陷。

圖3 不同纖維長度和摻量對應的抗壓強度變化

圖4 不同纖維長度和摻量對應的劈裂抗拉強度變化

就不同纖維長度和摻量對混凝土劈裂抗拉強度的影響而言，如圖4所示，結果表明玄武巖纖維對混凝土抗拉強度的提升效果更為明顯，當纖維長度為12 mm時，對應的28d抗拉強度達到最高的4.8 MPa，約為C50混凝土抗拉強度標準值的2倍。并且隨著纖維摻量和纖維長度的增加，抗拉強度均有小幅下降。

3.2 硅灰對混凝土性能的影響

圖5表示不同摻量的硅灰對新拌混凝土坍落度的影響。硅灰摻量分別為10kg/m、15kg/m和 20kg/m時，對應的坍落度值分別為220mm、205mm和205 mm。隨著硅灰摻量的增加，新拌混凝土的坍落度顯著降低。

圖5 硅灰摻量對混凝土坍落度的變化

隨著硅灰摻量不同，混凝土抗壓強度和劈裂抗拉強度的測試結果，如圖6所示?？梢钥闯龌炷量箟簭姸群团芽估瓘姸?，隨著硅灰摻量的增加而有所提升，硅灰摻量為20kg/m時，混凝土的28d抗壓強度和劈裂抗拉強度分別達到了 59.2MPa 和 5.4MPa，遠超過了 C50混凝土的標準強度值。

圖6 硅灰摻量對抗壓強度和劈裂抗拉強度的影響

硅灰由于顆粒尺寸很小，造成表面吸水率較高，因此在拌和過程中，會對漿體的坍落度造成顯著的下降。同時，硅灰顆粒在基體中能夠有效填充水泥顆粒之間的孔隙，可以提高基體密實程度，因此對混凝土的強度具有很好地提升。上述強度測試的結果表明，摻加硅灰以后的抗壓強度以及抗拉強度，都遠遠超過C50混凝土的理論設計值。結合施工過程中的可操作性，硅灰摻量為10kg/m的效果最好。

4 結論

針對索支撐橋梁混凝土超高塔柱混凝土存在施工過程中出現裂縫、開裂等現象，本文通過使用白色硅酸鹽水泥、玄武巖纖維增強和硅灰復摻的方式，設計出了抗拉強度高、美觀性好、可泵送的白色纖維高性能混凝土。本文具體有以下幾點結論：

①復摻玄武巖纖維和硅灰能夠提升混凝土的抗拉性能，纖維和硅灰增強后的混凝土抗拉強度可達到5.4MPa，超過C50混凝土標準值的2倍以上；

②玄武巖纖維長度在12mm～20mm，摻量在 0.8kg/m～2.0kg/m變化時，對新拌混凝土的坍落度影響較小，但混凝土抗壓強度隨摻量增加先上升后下降，隨纖維長度增加小幅下降，混凝土抗拉強度隨纖維摻量和長度的增加都小幅下降，這是由于纖維摻量過多或長度過長，容易在攪拌時發生團聚，增加了基體中的初始缺陷，因此，玄武巖纖維長度為 12mm、摻量為 1kg/m～1.5kg/m時最優；

③白色纖維混凝土復摻硅灰能夠顯著提升基體強度，且隨著硅灰摻量的增加，抗壓和劈裂抗拉強度都逐漸增高。但由于硅灰摻量的增加會顯著降低新拌混凝土工作性能，因此，硅灰摻量為10kg/m時最優。